数字电子技术(杨志忠第三版)第3章逻辑门电路

逻辑门电路
第3章
逻辑门电路
概 述 三极管的开关特性
TTL 集成逻辑门 CMOS 集成逻辑门 集成逻辑门的应用
本章小结
EXIT
逻辑门电路
3.1
主要要求：
概 述
了解逻辑门电路的作用和常用类型。 理解高电平信号和低电平信号的含义。
EXIT
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一、门电路的作用和常用类型
按逻辑功能不同分 指用以实现基本逻辑关系和 门电路 (Gate Circuit) 常用复合逻辑关系的电子电路。 与门 或门 非门 异或门 与非门 或非门 与或非门 按电路结构不同分
EXIT
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3.3
TTL 集成逻辑门
主要要求：
了解 TTL 与非门的组成和工作原理。 掌握 TTL 基本门的逻辑功能和主要外特性。
了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。
了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。
EXIT
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一、TTL 与非门的基本组成与外特性
(一)典型 TTL 与非门电路
2 5

5V 截止
微饱和 放大
2
3.6 V
截止
因此，输入有低电平时，输出为高电平。
EXIT
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2.
TTL与非门的工作原理
输入均为高电平时，输出低电平 VCC 经 R1 使 V1 集电结和 V2、 V5 发射结导通，使uB1 = 1.8 V。 1.8 V 导通 因此，V1 发射结反偏而集电极 1V 截止 倒置放大 正偏，称处于倒置放大状态。 3.6 V 0.3 V 饱和 这时 V2、V5 饱和。 3.6 V 深 uC2 = UCE2(sat) + uBE5 3.6 V 饱 = 0.3 V + 0.7 V = 1 V 和 使 V3 导通，而 V4 截止。 V4 截止使 V5 的等效集电极 电阻很大，使 IB5 >> IB5(sat) ，因 此 V5 深度饱和。 TTL 电路输入端悬 uY = UCE5(sat) 0.3 V 注意 空时相当于输入高电平。 输出为低电平 综上所述,该电路实现了与非逻辑功能,即 Y ABC 因此，输入均为高电平时，输出为低电平。 EXIT
A B C
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(二)TTL 与非门的工作原理
输入端有一个或数个为 低电平时，输出高电平。 VD1 ~ VD3 在正常信号输 8.2k 输入低电平端对应的发射结 入时不工作，因此下面的分 1V 导通，uB1= 0.7 V + 0.3 V = 1 V 深度 V1析中不予考虑。RB、RC 和 管其他发射结因反偏而截止。 0.3 V 饱和 V6 所构成的有源泄放电路的 3.6 V 这时 V 、V 截止。V 截止 使 V1 集电极等效电阻很大，使 作用是提高开关速度，它们 IB1 >> 因为抗饱和三极管 V1 IB1(sat) ，V1 深度饱和。 不影响与非门的逻辑功能， 的集电结导通电压为 0.4 V， V 截止使 uC2 VCC = 5 而 V22、V5 发射结导通电压V， 因此下面的工作原理分析中 V3 微饱和，V4 放大工作。 为 0.7 V，因此要使 V1 集电 也不予考虑。 0.7 V = 3.6 V u结和 V-、VV发射结导通， Y = 5V 2 0.7 5 电路输出为高电平。 必须 uB1 ≥ 1.8 V。
饱 和 区
O UCE(sat)
截止区
A N B uBE < Uth C uCE
三极管开通的条件和等效电路 当输入 uI 为高电平，使 iB ≥ IB(sat)时，三极管饱和。 uBE UCE(sat) 0.3 V 0， C、E 间相当于开关合上。
三极管 截止状态 等效电路
E
B UBE(sat) iB ≥ IB(sat) E C
CE(sat) CE
B
C
uI 增大使 uBE > Uth 时，三极管开始导通， iB > 0，三极管工作于放 大导通状态。
uBE < Uth E
三极管 截止状态 等效电路
EXIT
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一、三极管的开关作用及其条件
iC 临界饱和线 M T IC(sat) + uBE S Q
放大区
IB(sat)
uI=UIH
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三、抗饱和三极管简介
C SBD B B C
E 抗饱和三极管的开关速度高
E
① 没有电荷存储效应 在普通三极管的基极和集电极之间并 ② SBD 的导通电压只有 0.4 V 而非 0.7 V， 接一个肖特基势垒二极管(简称 SBD) 。 因此 UBC = 0.4 V 时，SBD 便导通，使 UBC 钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度。
UCE(sat)
三极管 饱和状态 等效电路
EXIT
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开关工作的条件
截止条件 uBE ＜ Uth 可靠截止条件为 uBE ≤ 0
VCC U CE(sat) RC VCC RC
饱和条件
iB ＞ IB(Sat)
iB 愈大于 IB(Sat) ， 则饱和愈深。
由于UCE(Sat) 0，因此饱和后 iC 基本上为恒值， iC IC(Sat) =
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二、高电平和低电平的含义
高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。 高电平 高电平
1
0
高电平信号是多大的信号？低 由门电路种类等决定 电平信号又是多大的信号？ 低电平 0 低电平 1
正逻辑体制
负逻辑体制
EXIT
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3.2 三极管的开关特性
主要要求：
理解三极管的开关特性。 掌握三极管开关工作的条件。
EXIT
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一、三极管的开关作用及其条件
iC 临界饱和线 M T IC(sa=UIL
三极管为什么能用作开关？ 饱 Q + 怎样控制它的开和关？ uBE 和 区
O UCE(sat) B uBE < Uth
负载线
A N C
截止区
uCE
三极管关断的条件和等效电路
当输入 uI 为低电平，使 uBE < Uth时，三极管截止。
0. 3 O
t
EXIT
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二、三极管的动态开关特性
uI
UIH
UIL O iC IC(sat) O uO VCC
uI 从 UIH 负跳到时 UIL， 三极管不能很快由饱和转变 为截止，而需要经过一段时 t 间才能退出饱和区。
uI 从 UIL 正跳到 UIH 时， 三极管将由截止转变为饱和， iC 从 0 逐渐增大到 IC(sat)，uC t 从 VCC 逐渐减小为 UCE(sat)。
是构成数字电路的基本单元之一
CMOS 集成门电路 用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。
TTL 集成门电路 输入端和输出端都用 三极管的逻辑门电路。
CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor TTL 即 Transistor-Transistor Logic 按功能特点不同分 普通门 输出 三态门 CMOS (推拉式输出) 开路门 传输门 EXIT
转折区
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标准高电平 USH uO/V 有关参数 当 uO ≥ USH 时，则认为输出 A UOH B 3.6 高电平，通常取 USH = 3 V。 USH =3.0 3V 标准低电平 USL 2.0 当 uO ≤ USL 时，则认为输出低 电平，通常取 USL = 0.3 V。 1.0 C UOL D 0.3 USL = 0.3V 关门电平 UOFF 0 uI/V U1.0 UON 2.0 UTH OFF 保证输出不小于标准高电平USH 时,允许的输入低电平的最大值。 电压传输特性曲线 开门电平 UON 近似分析时认为： 保证输出不高于标准低电平USL uI > UTH，则与非门开通， 时,允许的输入高电平的最小值。 下面介绍与电压传输特 输出低电平UOL； 性有关的主要参数： 阈值电压 UTH uI < UTH，则与非门关闭， 转折区中点对应的输入电压， 输出高电平UOH。 又称门槛电平。 EXIT
t
uI 负跳变到 iC 下降到 0.1IC(sat) 所需的时间 toff 称 为三极管关断时间。 通常 toff > ton
UCE(sat) O
开关时间主要由于电 通常工作频率不高时， 荷存储效应引起，要提高 可忽略开关时间，而工作 开关速度，必须降低三极 频率高时，必须考虑开关 管饱和深度，加速基区存 速度是否合适，否则导致 储电荷的消散。 不能正常工作。 EXIT t
I B(sat) I C(sat) VCC RC

EXIT
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[例]下图电路中 = 50,UBE(on) = 0.7 V,UIH = 3.6 V,UIL = 0.3 V,为使 三极管开关工作,试选择 RB 值,并对应输入波形画出输出波形。
+5 V uI
1 k
UIL
UIH
O
t
解：(1)根据开关工作条件确定 RB 取值 uI = UIL = 0.3 V 时,三极管满足截止条件 uI = UIH = 3.6 V 时,为使三极管饱和,应满足 iB > IB(sat) U IH 0.7 V 3.6 0.7 V 2.9 V 因为 iB = RB RB RB V 5V I B(sat) CC 0.1 mA βRC 50 1 k 所以求得 RB < 29 k，可取标称值 27 k。 EXIT
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(2) 对应输入波形画出输出波形
uI
三极管截止时， iC 0，uO +5 V 三极管饱和时， uO UCE(sat) 0.3 V
O uO/V 5
UIH
UIL